Физико-химические и механические основы процесса резания

Среди физико-химических процессов, определяющих процесс резания, основное значение имеет процесс пластической деформации при образова­нии стружки. От характера пластической деформации, деформационного упрочнения и разрушения металла при стружкообразовании зависят точ­ность обработки деталей и качество поверхностного слоя. Параллельно со стружкообразованием при резании протекают процессы контактного взаи­модействия инструмента со стружкой и обработанной поверхностью, сопро­вождаемые интенсивным тепловыделением, трением, адгезионным взаимо­действием обрабатываемого материала и инструмента. Явления, сопро­вождающие контактное взаимодействие, существенно влияют на свойст­ва обработанной поверхности, определяют стойкость инструмента и ус­тойчивость процесса резания. Современная теория резания рассматрива­ет процессы стружкообразования, контактных взаимодействий и форми­рования поверхности детали как единый процесс разрушения и деформи­рования металла.

На процесс резания, точность и производительность обработки сущест­венное влияние оказывают свойства материала, геометрическая форма и ис­ходная точность поставляемых на обработку заготовок.

Из сопутствующих резанию явлений важнейшее практическое значение имеет износ инструмента, непосредственно влияющий на качество и произ­водительность обработки.

Все происходящие процессы и явления взаимосвязаны и составляют ос­нову технологии обработки резанием. Поэтому рассмотрим их более подробно.

Процессу стружкообразования, как взаимосвязанному про­цессу пластического деформирования и разрушения, присущ ряд специфиче­ских особенностей: высокие значения действующих напряжений и их неод­нородное распределение в деформируемой зоне; высокая скорость деформа­ции — 10 —10⁶ с; упрочнение металла и его разупрочнение в результате ин­тенсивного тепловыделения в зоне обработки.

Упростим рассмотрение процесса деформации и разрушении обрабаты­ваемого металла, используя только дислокационный механизм пластической

деформации, опуская механизм деформации двойникованием, зерногранич-ным проскальзыванием и фрагментацией.

При силовом воздействии режущего клина на поверхности контакта с инструментом в обрабатываемом материале возникают сжимающие напря­жения и зарождаются дислокации. Образовавшиеся дислокации перемеща­ются в глубь металла, размножаются и группируются в полосы скольжения. Скорость распространения дислокационных полос, а следовательно, и ско­рость пластической деформации пропорциональны действующему напряже­нию. Так как зерна и плоскость скольжения в каждом зерне ориентированы случайным образом, то картина полос скольжения отражает преимуществен­ное направление действующих сил.

Наибольшее силовое давление со стороны инструмента металл испыты­вает в направлении скорости резания, меньшую — в глубину заготовки. Со­ответственно, максимальное значение скорость дислокаций и пластической деформации обеспечивается в направлении скорости резания. Перемещаясь за время деформирования 10"²—10"³ с от режущей кромки дислокации, оп­ределяют конфигурацию и размеры пластически деформированной зоны (см. рис. 31.1, а). В пластически деформируемой зоне условно выделяют сле­дующие области: область опережающего упрочнения обрабатываемого материа­ла впереди режущего клина и область упрочнения ниже плоскости резания.

С увеличением пластичности металла и усилия резания размеры пласти­чески деформируемой зоны при обработке растут. В случае обработки леги­рованных малопластичных материалов упрочняющие фазы, легирующие элементы, являются стопорами дислокации. Поэтому размеры зоны дефор­мации при обработке сокращаются, а усилие резания возрастает. Сокраще­ние зоны деформации наблюдается при обработке на высоких скоростях, что обусловлено превышением скорости резания над скоростью движения дис­локационных полос скольжения.

Разность значений действующих напряжений в зоне стружкообразова-ния (см. рис. 31.1, a, LOM) предопределяют неоднородность процессов де­формации. Материал начинает пластически деформироваться на границе зоны LO. По мере приближения деформированного объема к режущей кром­ке деформация и упрочнение металла возрастают и полностью завершаются на границе зоны КМ деформацией сдвига в области максимальных касатель­ных напряжений под углом <р к направлению движения резца. Движение дислокаций в поле напряжений при пластической деформации вызывает по­следовательный переход атомов в новое положение. В результате атомы приобретают кинетическую энергию и совершают колебания с большей ам­плитудой около нового положения равновесия. Таким образом, часть рабо­ты, затраченной на перемещение дислокаций, превращается в теплоту. В результате при обработке стали 45 температура металла в конце зоны де­формации возрастает до 300 °С, не вызывая его температурного разупрочнения. 566

Деформация металла в пластически деформируемой зоне непосредст­венно перед режущей кромкой отличается от рассмотренной тем, что здесь в металле развиваются максимальные напряжения, а деформация стеснена. В результате здесь генерируется максимальное число дислокаций и плотность полос скольжения, они не выходят из зоны, а сливаются с дислокациями в пересекающихся плоскостях скольжения, образуя полостную дислокацию, которая представляет собой субмикротрещину. Достигая критического зна­чения, трещина начинает распространяться перед режущей кромкой при ее перемещении, разрушая металл.

Вид разрушения металла и тип образующейся стружки зависят от пла­стичности обрабатываемого металла, скорости и температуры резания.

Рассмотрим характер разрушения материала и тип образующейся стружки в зависимости от его пластичности при неизменных скорости и температуре реза­ния. При обработке вязких пластичных материалов плотность дислокаций перед режущим лезвием не достигает критических значений, при которых материал, упрочняясь, охрупчивается, поэтому трещина перемещается одновременно с ин­струментом в плоскости резания. В результате происходит обтекание металлом режущего клина и формируется сливная стружка. Она представляет собой сплошную ленту без разрывов и больших трещин с гладкой прирезцовой сторо­ной. В том случае, если перед режущим лезвием плотность дислокаций достигает критических значений и материал охрупчивается, перед режущим клином обра­зуется несколько микротрещин. В вязких материалах, у которых на развитие тре­щины необходимо затрачивать работу, развитие получает только трещина, сов­падающая с направлением движения инструмента. При этом трещины, имеющие другие направления, не развиваются, образуя на поверхности обработанной дета­ли сетку микротрещин. В этом случае образуются суставчатые стружки в виде ленты с гладкой прирезцовой стороной и трещинами по краям стружки. В обоих случаях процесс стружкообразования не вызывает изменения сил резания.

В том случае, если при обработке перед режущей кромкой образуется магистральная трещина, скорость движения которой выше скорости резания, она выходит на поверхность стружки, вызывая ее отламывание в виде от­дельных изогнутых элементов, такая стружка называется элементной. В этом случае стабильность сил резания нарушается. Формирование элементов стружки сопровождается пульсацией сил резания.

При резании материалов, имеющих хрупкое разрушение, происходит вырывание отдельных частиц, причем образующиеся при этом трещины рас­полагаются как выше, так и ниже плоскости резания. Элементы этой стружки имеют неправильную форму — такой тип стружки называется стружкой надло­ма. Сила резания при этом постоянно изменяется с высокой частотой.

Таким образом, разрушение материала и отделение стружки происходят в зоне наибольшего предварительного упрочнения и максимальной дефор­мации металла — у вершины режущего лезвия.

Контактное взаимодействие обрабатываемого ме­талла с инструментом при обработке резанием возника­ет сразу после разрушения металла у вершины режущего лезвия в процессе обтекания металлом передней и задней поверхностей режущего клина. В процессе обтекания формируются контактные области С₀ и С_г (см. рис. 31.1, а). В контактной области происходит вторичное деформирование металла путем смятия режущей кромкой; интенсивное трение в условиях высокого давле­ния (до 2000 МПа); локальный нагрев до 1000 °С, обусловленный выделени­ем теплоты при трении. В контакт с инструментом вступают только что образо­вавшиеся в результате разрушения поверхности обрабатываемого металла.

В результате под действием высоких давлений и температур между относи­тельно перемещающимися поверхностями формируются адгезионные связи.

Прилипание металла к инструменту с формированием устойчивой адге­зионной связи обусловлено ювенильным состоянием контактирующих по­верхностей, высокими значениями давления и температур, характерными для образования соединений при сварке трением. Прилипающий слой метал.а называют наростом.

Существование нароста обеспечивается, если силы адгезии превы­шают силы сдвига, стремящиеся срезать налипший слой металла при движении стружки. Образующийся вблизи режущей кромки нарост начинает расти по вы­соте, одновременно упрочняясь. Теперь контакт и трение обрабатываемого ме­талла происходят с наростом, и при увеличении его высоты ухудшаются условия

Рис. 31.7. Схема образующегося нароста и его влияние на изменения главного перед­него угла (у), а также на погрешность раз­мера детали: 1 — нарост, 2 — режущий клин; 3 — обрабаты­ваемая деталь, А — погрешность размера детали (Я), обусловленная наростообразованием, у' > у — изменение переднего угла режущего клина, Л„, /„ — высота и ширина нароста, Су, Ср — зоны упрочнения и разупрочнения металла в пластиче­ском контакте; Су, Са — общая длина контакта по передней и задней поверхности инструмента

стока теплоты в инструмент. В ре­зультате при высоких скоростях обработки резко возрастает темпе­ратура в зоне контакта, что ведет к сдвигу налипшего упрочненного слоя и уносу его стружкой. Далее процесс повторяется — рост на­липшего металла и сдвиг его с уно­сом стружкой. Частота срыва зави­сит от скорости резания и при пуль­сирующей форме своего существо­вания составляет до нескольких сотен в минуту.

При снижении скорости ре­зания процесс сменяется образо­ванием постоянно существующе­го нароста, так как снижаются рост температур в контактной зоне и действующее усилие сдви­га (рис. 31.7). Нарост представля-568

ет собой сильно деформированный металл высокой твердости. Меняя гео­метрию режущей кромки (увеличивая главный передний угол инструмента), нарост снижает силу резания; обладая высокой твердостью, в 2 — 3 раза превосходящей твердость обрабатываемого металла, предохраняет инстру­мент от износа. Отрицательное влияние нароста состоит в том, что он увели­чивает шероховатость обработанной поверхности и снижает точность формы детали. Пульсирующая форма нароста недопустима, так как при срыве на­роста циклически меняется сила резания, вызывая вибрацию СПИД, и, как следствие, снижается качество поверхности детали, кроме того, частицы на­роста повышают износ инструмента.

Явления, происходящие при формировании по­верхностного слоя детали ниже плоскости резания, представляют наибольший практический интерес, так как именно они опре­деляют качество и точность поверхности детали.

Свойства поверхностного слоя формируются под действием пластиче­ской деформации и нагрева обрабатываемого металла в процессе резания (см. рис. 31.1, а). В зоне опережающего упрочнения перед режущей кромкой инструмента LOM в результате первичной пластической деформации проис­ходит наклеп металла. В результате трения и вторичной деформации при контактировании с задней поверхностью (С„ в зоне ОРТ) инструмента мате­риал испытывает деформации растяжения в тонком поверхностном слое, при этом наклеп металла возрастает до -15%. Сопутствующий нагрев деформи­рованного металла до температур (0,2—0,3) Т_т вызывает возврат, а до тем­ператур выше 0,4 Гпл — рекристаллизацию с разупрочнением упрочненного слоя. Особенно существенное влияние оказывает нагрев при скоростной лез­вийной обработке и шлифовании. Нагрев создает предпосылки для процес­сов взаимной диффузии обрабатываемого и инструментального материалов и химического взаимодействия с элементами смазочно-охлаждающих веществ.

Кроме того, в результате резания на поверхности формируется микро­рельеф (след от резца), а также микротрещины, возникающие при хрупком разрушении металла перед режущим клином.

В результате неизбежного при резании физического контакта с инстру­ментом, силового и теплового воздействия в поверхностном слое, возможно формирование следующих свойств: высокой степени наклепа; наличия зна­чительных остаточных напряжений растяжения, значение которых может достигать 0,8 ст_в; структуры, отличной от структуры обрабатываемого метал­ла; содержания в металле поверхностного слоя химических элементов мате­риала инструмента и охлаждающей среды.

Современная технология обработки резанием позволяет свести к мини­муму нежелательные свойства у обрабатываемой детали, снижающие ее экс-

плуатационные характеристики. Так, снижение наклепа, остаточных напря­жений и шероховатости поверхности обеспечивается: регулированием пара­метров, способствующих снижению сил резания (А, д₀, у, а); многоопераци­онной обработкой деталей с постепенным снижением сил резания при каж­дой последующей операции. Эффективным способом снижения структурных изменений и изменений химического состава является использование сма-зочно-охлаждающих сред. Помимо режима качество поверхности зависит от наследуемых свойств заготовки и вибрации системы СПИД.

31.4. Тепловые процессы в зоне резания и смазочно-охлаждающие среды

Экспериментально установлено, что большая часть работы пластиче­ской деформации (до 95%) при резании превращается в теплоту. Зона реза­ния представляет собой сложную систему тепловыделения и термораспреде­ления. В системе участвуют источники теплоты и следующие теплоотводя-щие объекты: обрабатываемая деталь, резец, стружка, смазочно-охлаждаю-щая среда и окружающее воздушное пространство.

Источником тепловыделения при резании являются: теплота, образую­щаяся в результате пластического деформирования металла в зоне стружко-образования (Q_c); теплота, обусловленная трением стружки о заднюю и пе­реднюю поверхности инструмента (бю. Qm)-

Одновременно с процессом тепловыделения при резании происходит процесс теплообмена за счет теплопроводности и конвекции.

Тепловой баланс процесса резания выражается следующим тождеством:

где Т₀, Т„ и Г_с — теплота, отведенная в обрабатываемую деталь, в инстру­мент и в стружку; К_ж — конвективный теплоообмен с жидкостью; K_t — воз­душный теплообмен.

Доля теплоты, отводимая в результате теплооомена, зависит от метода, материала инструмента, режима и условий обработки. Ориентировочные значения отводимой теплоты следующие: стружкой отводится 25—85% вы­делившейся теплоты, заготовкой — 10—50%, а инструментом — 2—8%. С увеличением скорости резания доля теплоты, отводимой стружкой, возраста­ет, так как увеличиваются ее объем в единицу времени и температура нагрева.

Явление тепловыделения присуще процессу резания, но отрицательно влияет на стойкость инструмента, точность и качество обработки. Для сни-

жения отрицательного влияния нагрева при механообработке применяют смазочно-охлаждающие среды (СОС). Это жидкости, газы и газообразные вещества и твердые вещества, которые наряду с охлаждением снижают теп­ловыделение (Qm и Q_D). Наибольшее применение получили жидкие среды (СОЖ): эмульсии; мыльные растворы; масла; масла с добавлением фосфора и серы; керосин и др. Газообразные среды — С0₂, ССЦ; N₂; пары поверхно­стно-активных веществ; распыленные жидкости и пены. Твердые среды — порошки парафина, битума и мыльные порошки. Применение смазочно-охлаждающих сред позволяет на 10—15% снизить эффективную мощность резания, повысить стойкость режущего инструмента, увеличить точность и снизить шероховатость обработанной поверхности.

Подача смазочно-охлаждающих сред в зону резания осуществляется различными конструктивно-технологическими способами. Это подача жид­кости через узкое сопло на переднюю поверхность инструмента; подача струи жидкости тонкой струей под напором со стороны задних поверхностей инструмента; подача распыленных жидкостей со стороны задних поверхно­стей инструмента; подвод жидкостей через полый инструмент (чаще всего применяют при сверлении глубоких отверстий). Эффективный отвод Q_m при скоростном резании от участка резца, где формируется нарост, обеспечива­ется увеличением Г_и за счет применения теплопроводных инструментальных материалов. При этом инструмент охлаждается СОС.